PLC对步进电机的控制技术

1 引言

　　步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出轴便转过一个固定的角度，称为一步，当供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动。步进电机分为反应式、永磁式和混合式等。步进电机的位移量与输入脉冲数严格成正比，其转速与脉冲频率和步进角有关。

　　步进电机必须使用专用的步进电机驱动设备才能够正常工作，步进电机系统的运行性能，除与电机自身的性能有关外，在很大程度上还取决于驱动器性能的优劣。随着电力电子技术的发展，可以实现细分驱动，即将一个步距角细分成若干小步来驱动。

2  一般步进电机的驱动器的控制方式

　　某公司WD2-007型步进电机驱动器的控制面板，该驱动器主要驱动)2Nm~12Nm的三相混合式步进电机。一般步进电机驱动器都是这样的控制方式。

　　控制信号的意义如下：

　　PULSE：脉冲信号，每一个脉冲的上升沿使电机转动一步。

　　DIR：方向信号，与!9"OS 信号配合使用，低电平电机顺时针旋转，高电平，电机逆时针旋转。

　　CW:正转信号，每个脉冲使电机正向转动一步(与CCW信号配合)。L:反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步(与CW信号配合)。PULSE+与CW + ，PULSE-与CW-，DIR +与CCW + ，DIR -与CCW一对应同一个接口，按控制方式不同给出两种定义名称;STEPI.STEP2用于设置电机每转步数，可以设为500,1000,5000和100000 PULSE"SYS拨码开关用于设置控制方式，OFF时为“脉冲和方向”控制方式，ON时为“正转和反转”控制方式。

　　控制信号要求7mA≦高电流≦25xnA，-25mA≦低电流≦0.2mA，由于PLC的控制电源多配置24V开关电源，此时可以串接1.8K的限流电阻。

　　步进电机及其驱动系统与数字控制系统配套时，体现出更大的优越性。

　　PLC是广泛应用于上业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行控制，下而是OMRON公司CPM2A品体管输出型PLC的输出电路结构。

　　CPM2A型PLC有两个脉冲输出端01000和01001端子，随着控制方式的不同，有三种脉冲输出形式。

　　1)这两个脉冲输出端可以用来作为两个不带加减速的单相脉冲输出端，卞要使用PULS和SPED指令进行控制，频率范围为10Hz~10KHz(变化单位10Hz)，可以连续输出，也可以脉冲串形式输出，可以同时单独输出。01000端子对应脉冲输出端口0 01001端子对应脉冲输出端口1。

　　2)可以作为两相可变占空比的连续脉冲输出端，卞要使用PWM指令控制，占空比设置范围为0%~100 %(设置单位1%)，频率设置范围0.1 Hz~999. 9Hz(设置单位0.1 Hz)。

　　3)可以作为带梯形加减速的两相脉冲输出，卞要使用PULS和ACC指令控制，频率变化范围10Hz~10KHz(设置单位lOHz)加减速率10Hz/10m、-10KHz/10ms(设置单位10Hz )，可以连续输出，也可以脉冲串形式输出，这里又分为两种控制方式，一种是脉冲+方向控制(01000输出脉冲，01001输出方向)，一种是正反向脉冲输出(01000输出CW脉冲，01001输出CCW脉冲)。

　　以脉冲串形式输出时，可设置的脉冲数为±1~±167772150

　　PLC的这种脉冲输出不受扫描周期的影响。其它公司如SIEMENS，松下的PLC也具有类似的功能。

3 控制坐标系的建立

　　PLC对步进电机的控制首先要确立坐标系，可以设为相对坐标系，也可以设为绝对坐标系。坐标系的设置在DM6629字中，00~03位对应脉冲输出。0.04~07位对应脉冲输出1，设置为0时，为相对坐标系，设置为1时为绝对坐标系，坐标系一经设定，在系统运行时，状态就不能再改变。

　　(1)对于不带加减速的单相脉冲输出

　　当设为相对坐标系时，可以从端口0和端口1增量输出脉冲，输出脉冲的计数值记录在SR229, SR228通适(端口0)和SR231, SR230通适中(端口1)。如设输出脉冲数为0000 0100时从端口输出100个脉冲，脉冲计数值从0计到100，之后还可以继续从该端口输出脉冲，即可以增量输出脉冲。每次输出脉冲时，脉冲计数值从0开始重新计数，计满设定值为止。

　　当设为绝对坐标系时，输出脉冲数可以设置为正数如00000100(相当于电机正向转动100步)，也可以设置为负数如80000100(最高位为“1”表示负数，相当于电机反向转动100步)，但由于是单相脉冲输出，须另外加方向控制信号，可以用01002等输出端做方向信号输出。在绝对坐标系时，坐标值记录在SR229, SR228通适(端口0)和SR231, SR230通适中(端口1)。每次输出脉冲数是脉冲设置值和当前坐标值的差，如当前坐标值为0，设置输出值为0000 0100，输出100个脉冲(正向输出信号有效)，再设置输出值为0000 0100，不再输出脉冲，再设置输出值为8000 0100再输出200个脉冲(反向输出信号有效)，坐标值由0000 0100变为8000 0100

　　(2)对于带加减速的两相脉冲输出

　　当设置为相对坐标系时，也可以实现增量脉冲输出。由于两相脉冲输出可以直接控制电机正反向，所以脉冲输出值可以设置为正数，也可以设置为负数，输出脉冲的计数值记录在SR229, SR228通适(端口0)中。如设置输出脉冲数为0000 0100电机正向运转100步，脉冲计数值从0000 0000计到0000 0100再设置输出脉冲数为8000 0100，电机反向运转100步，脉冲计数值从8000 0000计到8000 O100o

　　当设置为绝对坐标系时，坐标值记录在SR229, SR228通适(端口0)中，坐标变化情况类似于单相脉冲输出，但正/反向脉冲输出或脉冲+方向输出由01000和01001两个端口配合完成。

4 单轴运行控制

　　(1)带加减速的单轴正反转运行控制。

　　带加减速单轴正反转运控制的控制接线及时序。

　　中用两相脉冲输出CW/CCW方式进行控制，也可以用Pulse+ Direction方式控制。

　　(2)可变占空比的单轴运动控制

　　这种方式卞要用PWM指令来进行控制，只能以连续方式输出脉冲，但电机的运行频率可以控制得很精细。

5 二轴运动控制

　　(1)带正反向的_轴运动控制

　　带正反向_轴运动控制的接线及控制程序分别如图6和图7所示。

　　01002和01003为ON时电机顺时针转动，为OFF时电机逆时针转动。如果用连续脉冲输出也可以实现控制，这时须用下而所示的SPED指令或INI指令使电机停转。

　　(2)不带正反向的一轴运动控制

　　当有脉冲输出时，电机逆时针转动。这种方式和方式1的差别就是不用01002和01003作方向控制。

　　在方式1和方式2中，对两台电机的控制是独立的，如果加上适当的控制算法就可以实现_轴联动。

　　一台CMP2A就可以同时控制两台步进电机，这在简易数控系统中非常有现实意义。

6 控制参数的计算

　　在一个实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”，与此类似，“停比频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过日标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停比频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，有了这些数据，才能有效地对电机进行加减速控制。

　　在PLC对步进电机的控制中，必须计算出如下三个参数:

　　脉冲当量=步进电机步距角x螺距/360 x传动速比

　　脉冲频率上限=移动速度x步进电机细分数/脉冲当量

　　最大脉冲数量=移动距离x步进电机细分数/脉冲当量
    
　　根据这三个参数，才能计算出PULS，ACC等指令的控制数据。

7 结束语

　　步进电机的控制以开环控制居多，如果用旋转编码器做速度或位置反馈，结合PLC的高速脉冲计数功能就可实现闭环控制。

　　由于现今的PLC功能越来越强，指令速度越来越快，用微小型PLC就能构成各种的步进电机控制系统，具有控制简单、运行稳定、开发周期短等优点，是一种切实可行的步进电机控制方案。